实验9 天线实验.doc

亚美微波 YAMEI MICROWAVE
目 录

一、概述
二、微波天线主要技术参数
1．方向图
（1）方向性图
（2）方向性系数
2．天线效率
3．增益系数（增益）
4．天线阻抗
5．天线极化
6．频带宽度
三、实验用的天线－角锥喇叭天线
四、天线测量实验系统的建立
1．系统连接
2．测试实验系统的阻抗匹配情况
3．测试实验系统中两天线间距离及架设高度的选择
（1）两天线架设最小间距Vmin
（2）天线架设高度
五、测量
1．天线增益系数的测量
（1）测量理论
（2）测量方法
2．天线方向性图的测量
（1）方法（一）
（2）方法（二）
六、附录－同轴传输系统中微波天线测量实验

微波天线测量实验

一、概述

微波天线是微波通信设备中一个重要的组成部分，微波信息的质量与天线性能密切相关。通常，微波天线都为面式天线，验证这类天线的性能，首先是通过测量来实现的。本文作为结合实验内容，对天线系统架设于调整，天线的增益系数，天线方向性图的测量实验，及实验使用的天线性能等方面内容作一些介绍。

二、微波天线主要技术参数

1． 方向性
（1）方向性图
天线的基本功能是将馈线传输的电磁波变为自由空间传播的电磁波，天线的方向图是表征天线辐射时电磁波能量（或场强）在空间各点分布的情况，它是描
天线方向性图能直观地反映出天线辐射能量集中程度、方向性图越尖锐，表示辐射能量越集中，相反则能量分散。若天线将电磁能量均匀地向四周辐射，方向性图就变成一球面，称作无方向性，这就是一理想点源在空中辐射场。天线方向性图可通过测试来绘制，如测得的是功率，即可绘出功率方向性图，如测得的是场强，则绘出场强方向性图，但两者图形形状是完全一样的。通常图形方向
图（1）天线方向性图
述天线的主要传输之一。
天线的方向性图是一个立体图形。它的特性可以用两个互相垂直的平面（E平面和H平面）内方向性图来描述。如图（1）所示：

性图有多个叶瓣，其中最大辐射方向的是叶瓣，称主瓣，其余称副瓣（或旁瓣）。在方向性图中主瓣信息是我们最关心的。

a. 方向性图主瓣宽度
方向性图主瓣宽度是指半功率点（功率下降为最大辐射方向功率一半之点）之间宽度，它是由主瓣最大值“1”下降到“0.5”处两点与零点连接形成的夹角，用2θ0.5来表示，如图2所示：

图（2）

b. 方向性图主瓣零点角
如图2所示，方向性图零点角是指主瓣两侧零辐射方向之间夹角，用2θ0来表示。
c. 方向性图副瓣电平
方向性图副瓣功率电平表示副瓣功率电平相对于主瓣功率电平的比值，一般用分贝（dB）来表示，即：
（1）
一般希望副瓣电平越低（即负值越大）越好。

（2）方向性系数
上述方向性图虽然一定程度上反映了天线辐射状态，但它是一个相对值，为了定量描述天线集中辐射程度，引进了方向性系数这一概念。方向性系数定义是：在同一距离及相同辐射条件下，某一天线最大辐射方向性上辐射功率密度Smax（或场强平方E2max）与无方向天线（点源）辐射功率密度S0（或场强平方E20）之比，用D来表示：
（2）
可见，方向性越尖锐的天线D越大，相反则D越小，若D＝1，则表示为无方向性天线，是一个理想点源辐射场。

2． 天线效率
一般来说构成天线的导体和绝缘介质都有一定的能量损耗，输入天线的功率不可能全部转化为自由空间电磁波的辐射功率，我们把天线辐射功率Pr与天线输入功率之比称作天线效率，即：ηa＝Pr/Pi （3）
通常微波天线的效率都很高，ηa接近于1。另外需要值得提出的是这里定义的天线效率并没有包含因天线与馈线传输系统失配引起的损耗，如考虑到天线输入端的反射系数Γ，则天线总效率为：ηA＝（1－｜Γ2｜）•ηa （4）

3． 增益系数（增益）
增益系数简称增益，它的定义是：在同一距离及相同输入功率的条件下，某一天线在最大辐射方向上的辐射功率密度Smax（或场强平方E2max）与无方向天线（理想点源）的辐射功率密度S0（或场强平方E20）之比，用G来表示：
（5）
比较（2）、（3）、（4）式可见：

即 G＝ηa•D （6）
可见，增益系数是综合衡量天线能量转换效率和方向性的参数，它是方向性系数与天线效率的乘积。在实际应用中，天线增益系数与方向系数为重要的参量，尽管它们之间密切相关。
对于微波面式天线，它们的转换效率都很高，ηa＝1，因此G＝D。分析证明，对于微波面式天线，它的增益系数与天线口径大小有如下关系：
（7）
式中：S为天线辐射口面的实际面积；ηe为口面利用系数，或称口径效率，它主要是由口面上电磁场振幅分布和相位分布决定的。当口面分布均匀且同相时，ηe＝1，可获得最大增益，由（7）式可见：
Se＝S•ηe （8）
Se称为天线口径有效面积。
对于无方向天线（理想点源）来说，G＝D＝1，它的有效面积为：
（9）
增益系数一般用分贝来表示：GdB＝10lgG（dB） （10）

4． 天线阻抗
天线阻抗是指天线输入端口向天线辐射口方向看过去的输入阻抗，它取决于天线结构和工作频率。只有天线的输入阻抗与馈线阻抗良好匹配时，天线的转换效率才最高（参见4式），否则将在天线输入端口上产生反射，在馈线上形成驻波，从而增加了传输损耗。大多数天线输入阻抗的匹配是在工程设计中采用近似计算，然后通过实验测量，修正来确定的。

5． 天线极化
天线极化是指天线最大辐射方向上的电场强度（E）矢量的取向。线极化是一种比较常用的极化方式，线极化又可分为“垂直极化和水平极化”，前者电场矢量与地面垂直，后者则与地面平行。

6． 频带宽度
天线所有的电参数都与工作频率有关，任何天线的工作频率都有一定服务。当工作频率偏离中心工作偏离f0时，天线的电参数将变差。天线的频带宽度是指天线可以正常工作的频率范围，在这范围内天线的方向性图、增益、阻抗等技术参数都在指标允许的范围内变化。

三、实验用的天线－角锥喇叭天线

本实验测量系统采用的是天线是一对角锥喇叭天线。这是一种广泛使用的微波天线，它具有结构简单，馈电方便，频带较宽，增益高等整体优点，不仅在微波通信工程中大量用作反射面通信的馈源，且还用来作文对其它通信进行校正和测量的通用标准通信。
喇叭天线是由逐渐张开的波导构成。如图3所示。逐渐张开的过渡段既可以保证波导与空间的良好匹配，又可以获得较大的口径尺寸，以加强辐射的方向性。喇叭天线根据口径的形状可分为矩形喇叭天线和圆形喇叭天线等。图3中图（a）保持了矩形波导窄边不变，逐渐展开宽边而得到H面扇形喇叭；图（b）保持矩形波导宽边不变逐渐展开窄边而得到E面扇形喇叭；图（c）就是我们实验所采用的，宽边和窄边同时展开而成的角锥喇叭天线；图（d）为圆波导逐渐展开形成的圆锥喇叭。
角锥喇叭天线的主要技术参数为：

（11）

式中ap,bp为角锥喇叭天线辐射端口的尺寸。
我们实验选用的角锥喇叭天线的口径（E×H）尺寸为150×115mm2，输入端口为标准BJ-100波导，经上式计算得：
图（3）

① 工作频率范围：8.2～12.4GHz
② 天线增益（9.37GHz）：约23dB
③（2θ0.50）E＝14.70；（2θ0.5）H＝170（9.37GHz）

四、天线测量实验系统的建立

严格的微波天线测量是在不反射微波的微波暗室，或四周空旷的场地上进行。在实验室条件下进行天线测量也需要有比较空畅的场地，测量系统的四周尽量多留有空间，在这空间里不能设置有反射，特别是金属反射物体。下列介绍的是一组工作频率为9.37GHz的天线实验测量系统。

1． 系统连接
图4是工作频率为9.37GHz，全部由波导（BJ-100）连接的天线测量实验系统连接图
图中：T1、T2为喇叭天线，其性能上节已介绍，两个天线E面垂直安装（水平极化波）。
①YM1124信号源，单频9.37GHz工作的信号发生器，输出功率≥50mW，除提供连续波信号外还可以提供1kHz方波调制的信号，信号源输出端口为FD-100标准波导法兰。
②BD-20可变衰减器，用作信号源输出功率的控制、调节。
③BD-20定向耦合器，作为信号输出的耦合采样元件。在它耦合输出端口连接功率计，用以监视信号源输送到天线端发射功率大小。该定向耦合器标称耦合系数为17dB，在实际使用时最好事先对其耦合度进行测量定标，这样能准确地监视天线发送功率的量值。
图（4）

④、⑥为BD-20，900E面弯波导，⑤为900扭波导，它们作用是过渡连接元件，把天线发射系统组合连接起来。
⑦GX2B小功率计（配N8传感器）用以测量发送，接收功率电平量值。
⑧BD-20波导晶体检波器。
⑨YM3892选频放大器，用它来替代功率计测量天线接收信号。它的优点是灵敏度高测量动态范围大，缺点是只能读取相对值，不能直接读到接收功率电平量值。
⑩天线支架用来固定角锥喇叭天线，支架高低能伸缩调节，并可上下、左右转动。

2． 测试实验系统的阻抗匹配情况
通常连接后的测试系统需要进行系统阻抗匹配测量和调整，使系统中各元件保持阻抗连续（匹配），降低反射损耗，提高传输效率，保证测量精度。但在我们这个实验系统中，所选用的各种波导元件，都是安标准设计，精密制造，连接系统总的驻波系数在1.2左右，损耗在0.2dB以下。两个角锥天线也采用最佳尺寸设计制造的，所以系统只要连接可靠无需进行调整工作就能保证测量精度。

3． 测试实验系统中两天线间距离及架设高度的选择。
在测试实验系统中，天线架设的距离和高度选择恰当与否将影响到测量参数的正确性。如两天线间距越近，T1发送天线发射的球与波的波振面（即等相位面，如图5中虚线所示）在被测接收天线T2口径上引起的相位差越大。
（1）两天线架设最小间距Rmin
如图7所示，T1天线口径上每一点元均辐射电磁波，则最大相差ΔΦ必须从两天线边缘考虑起（即T1天线从B边起，T2天线从D边起），其表示式如下：

图（6）
同样，如图6所示天线架设高度越接近地面，则发送天线T1的主瓣（2θ0）信号有可能由地面反射与天线间直射两条途径同时进入T2接收天线主瓣中，造成失真。若天线架设高度由h1增高到h2，则地面反射波就进不了T2的主瓣。
为此在进行天线参数测量实验之前，必须对天线架设位置作合理的选择。

图（5）
。造成方向性和增益测量的数值失真越大。相反，天线间距离越大，T1发送的电磁波在T2处越驱于平面波，测得的数值失真越小。这是由于近场区天线增益及方向图与远场区天线电参数理论不一致造成的。

（12）

由于实验所采用的天线d1=d2=d为角锥天线口面E边的尺寸，则式（12）为：
（13）
实验证明不同类型的天线ΔΦ可取适当值，使天线T1发射的波振面到T2接收口径平面上近似为平面波，且T2口径面上场接近于均匀分布时，对于两个锐向天线，应取ΔΦ≤。代入（13）式得：
≤，即：
≤ （14）
代入（14）式得：
≤ 即：rmin≥ （15）
另外当T2口径面上的场为余弦分布时ΔΦ≤，代入（13）式得：
rmin≥ （16）
通常rmin＞＞d，则＜＜1，利用二项定律关系式，当X＜＜1时，

图（7）

在本实验中，角锥天线口径面上场为余弦分布，当工作频率为9.37GHz，λ＝32mm，角锥天线E面展开边长为150mm，代入（16）式得：
rmin≥＝2810mm＝2.81米（取3米）

（2）天线架设高度
如图6所示，当高度hmin≥h1时，地面的反射波处于主瓣角零点边界范围以外，进不了T2天线，具体推算如下：
，
即，
或写成，
两式相加：
则： （17）
式中θ01为发送T1天线的主瓣零点角，θ02为地区反射波夹角。为了使T1主瓣信号的地面反射波信号进不了T2接收天线的主瓣，则θ02角的临界点应为T2天线的主瓣零点角。
一般情况下，微波天线都有一定方向性，特别对有较锐向性的角锥喇叭天线能满足2θ0≤，又若rmin取得足够大使θ02＜，则根据（弧度）式（17）可写成：
≥ （18）
假若天线口径面上增强分布是均匀的，两喇叭天线又相同，则天线的主瓣零点角，则式（18）可写成：
≥ （19）
又若角锥喇叭天线口径面上场为余弦分布，则
代入（18）式得：
≥ （20）
本实验中λ＝32mm，rmin＝3000mm，d＝150mm代入式（20）得：
≥（取0.5m）

五、测量实验

1． 天线增益系数测量
（1）测量原理：
在如图（4）所示的测试相同中，T1、T2分别为发送和接收天线，假设它们的增益分别为G1、G2，两天线架设在同一轴线上，且距离r≥rmin，高度h≥hmin，系统匹配良好。则天线T1发射的隔离P发在天线T2处的隔离密度为：
（21）
又根据式（8）接收天线有效面积为： （22）
这样接收天线收到的功率为： （23）
根据式（23）假如，用一个已知增益的标准天线来作为接收天线，在已知工作频率（λ），和天线架设距离r的情况下，只要测量发送和接收功率的量值，就可以得到发送天线的增益系数。反之用已知增益的发送天线就可以得到接收天线的增益系数。在通信工程中，这是一种最常用的天线增益测量方法。
在我们实验中，接收和发送是两个相同的角锥喇叭天线，虽然它们的增益都未知，但由于G1＝G2＝GA，则代入（23）式得：
（24）
我们只要用功率计分别测T1天线发送功率P发和接收天线T2的最大接收功率P收，就可以得到待测天线的增益系数。

（2）测试方法
a）如图（4）连接好测试系统，两天线的E面垂直于地面架设高度，为了便于操作取1m（＞0.5m），且两天线尽量保持同一轴线。测试系统四周要尽量多留空间。
b）开启YM1124信号源电源开关；信号调制为连续波输出。这时信号源应由9.37GHz微波功率信号输送到发送天线T1。
c）开启GX2B功率计电源，预热3分钟后进行仪器零点校正，然后接到发送部分定向耦合器的耦合输出端口（耦合器的耦合系数C事先已经过校正）。测得功率为P，则为天线T1的发送功率。
d）调节发送端可变衰减器，调节衰减量，使Pt为一个尽些的适当数值，并于记录。
e）把GX2B功率计连到接收天线T2输出口。
f）调节接收天线上、下、左右位置，使在GX2B功率计上读到功率指示最大值，为PS。
g）把测得的发送功率Pt和接收功率PS代入式（24）进行计算，得到实验中角锥喇叭天线的增益系数，并换算成dB值。

2． 天线方向性图测量
（1）方法一
a）保持测试增益时仪器设备的工作状态。
b）固定接收天线垂直位置不变。
c）进一步细调接收天线水平位置，测量最大的接收功率电平P0，并于记录。
d）左方向旋转，以每1～2O为一间隔点，测量功率，直到测量值为零。把测量值记录在表1中。
e）接收天线回复到起的测量的中心位置，然后向右以1～2O为一间隔点，同样方法测量功率，记录在表1中。
f）以天线最大接收功率P0为基准，计算每测试点的电功率与P0的比值，记录于表1中。这就是方向性图的数值。
g）接收特性回复到起点，向左转到测量值为零后，继续向左/向右，测得天线方向性图副瓣电平和位置，记录在表Ⅰ中。
h）把表1中方向性图系数，标入图（8）中，点与点之间圆滑连线即得到角锥喇叭天线水平方向（E面）方向性图。
i）在图（8）方向性图中，找出曲线与坐标0.5之交关与坐标0连线即得到E面方向性图（2θ0.5）角度，同样可画上（2θ）角度。
j）接收天线回复到测量起始，最大接收位置，固定水平方向位置，用相同方法，变化垂直角度，测量垂直方向（H面）的方向性数据，并得到垂直方向性图及（2θ0.5）H，（2θ0）H夹角。
表 1

角度(O)
副
3´
副
2´
副
1´
-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
副
1
副
2
副
3

接收
功率
mW/µW

方向
性图
系数

1

图（8）

图（9）

（2）方法二
a）保持方法一连接的测试系统。
b）卸下连接在接收天线上的GX2B功率计传感器，换上波导晶体检波器和YM3892选频放大器。
c）YM1124信号源：信号调制开关置1kHz方波调制输出位置，这样信号源输出为1kHz方波调制的9.37GHz信号。
d）调节YM3892选频放大器的量程和接收频率（1kHz）微调旋钮，使指示值最大。
e）调节波导晶体检波器的调配螺钉和波导短路面旋钮，使选频放大器得到最大信号。
f）调节发送部分波导可变衰减器，增加衰减量，使选频放大器在最高量程（50dB）时，选频放大器指针停留在表面中间某一刻度位置。
g）上、下左右转动接收天线，使天线停留在方向性最大位置并使选频放大器指针保持表中间某一刻度（配合可变衰减器）。
h）记下可变衰减器刻度读数，通过可变衰减器的刻度－衰减对照表，得到这时衰减器的数值A0。
i）保持接收天线垂直位置不变，进行天线水平方向性图测量。
j）每改变一角度，变动（减小）可变衰减器的衰减量，使选频放大器的指针回到原来位置，读得这时的衰减器的量值，Ai把它减去P0的衰减器初始值得：An＝Ai－A0即为这角度点方向性。
k）保持水平方向位置不变，进行水平方向图测量。
l）每一个角度测试点，变动（减小）可变衰减器的量值，使选频放大器指针回到原理位置，这时读可变衰减器刻度数，填入表2。
m）根据可变衰减器刻度－衰减对照表，查得对应衰减值填入表2。
n）把每点头衰减值Aj减去初始值A0得Ai＝Aj－A0，如方向性图数据，填入表2。
o）根据表2中数据，填入图9，得角锥喇叭天线水平方向性图，（2θ0.5）E，（2θ0）E，及副瓣幅值和角度。
p）同样方法，固定天线的水平位置，测量垂直角度变化的方向性图数据，并作图。
比较上述两种方法：方法一：用功率计直接读数，它优点是直接、方便，缺点是功率量程范围较小，在2θ0附近不易读到精确数据。方法二：采用选频放大器和可变衰减器读数，虽然麻烦些，但它的测量动态范围较大。

表 2
角度(O)
副
3´
副
2´
副
1´
-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
副
1
副
2
副
3

接收
功率
mW/µW

A0

方向
性图
系数

1

六、附录－调制传输系统中实验微波天线测量
①信号源；YM1123标准信号发生器，工作频率7.5～12.4GHz。输出功率大于5mW，L16同轴输出接头（K）。
②可变衰减器：SHK-4同轴可变衰减器，衰减量（0～20dB）。
③定向耦合器：TT5-N定向耦合器，工作频率8.0～12.4GHz，耦合度标准值：10dB。
④波导同轴转换器：BD-20同轴波导转换器。
⑤功率计：GX2B小功率计（同轴T1，T2传感器）。
⑥晶体检波器：TJ8-4同轴宽带检波器
⑦选频放大器：YM3892选频放大器
⑧天线支架：带水方方向和垂直方向的转动。

图10是一个同轴传输的微波天线测试系统，它可以在8.0～12.4GHz频率范围内工作。现今的微波通信工程，特别是低频段工作的通信工程中，绝大部分的通信馈电系统都是采用同轴形式来连接的，它连接方便，工作频率范围宽，但传输损耗要比波导系统大很多。

图十

图中：T1，T2为角锥喇叭天线
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